龍門加工中心主軸熱伸長解決方案

劉 暢

(中捷機床有限公司，遼寧沈陽 110043)

主軸在運轉(zhuǎn)過程中，伺服電動機、皮帶及其他與主軸相關(guān)運動部件會因摩擦、損耗等產(chǎn)生熱量。如果熱量不能及時散發(fā)和排出，則很可能導(dǎo)致主軸軸承燒傷。因此，眾多機床生產(chǎn)廠家都是對主軸軸承座外套通過恒溫油的方式進行循環(huán)冷卻，使主軸運轉(zhuǎn)過程中絕大部分的熱量隨循環(huán)油帶出機體，阻隔與滑枕之間的熱傳遞路線，以減小熱變形。但是，再完善的冷卻也仍然會有部分位置熱量因傳導(dǎo)速度快或者無法冷卻到位，導(dǎo)致熱量不能及時排出，使滑枕及滑枕內(nèi)部的主軸部分產(chǎn)生熱變形，滑枕的熱變形和主軸的熱變形最終體現(xiàn)在主軸端面的位置變化，因此將此種熱伸長我們統(tǒng)稱為主軸熱伸長?，F(xiàn)在很多用戶來咨詢這個問題，希望我們廠家能夠解決主軸發(fā)熱伸長造成的誤差。

為了進一步解決主軸熱伸長對加工精度的影響，對主軸的熱伸長通過控制系統(tǒng)補償?shù)霓k法進行補償，來解決補償精度問題。我們規(guī)劃用下面的方法來解決這個問題，即:補償溫度是通過熱敏電阻測溫實驗獲得;熱伸長的數(shù)據(jù)通過測量每一個單位溫升的伸長來獲得;然后通過自己編輯的補償控制程序，將每一個溫度點需補償?shù)淖冃紊扉L量傳達到Z向伺服電動機，從而實現(xiàn)主軸熱伸長補償。

根據(jù)龍門機床實際的主軸和滑枕的聯(lián)接系統(tǒng)來看，主要發(fā)熱源在主軸電動機皮帶輪連接部分。通過主軸電動機皮帶輪的底座傳導(dǎo)給滑枕，再通過滑枕傳導(dǎo)給滑枕內(nèi)部的主軸，從發(fā)熱部分的位置來看主要變形的部分在皮帶輪熱輻射區(qū)，Z軸絲母座到主軸前端這部分稱之為有效熱伸長部分。為了能有效地測量溫度的變化，因此將溫度傳感器安裝在皮帶輪底座上，這樣可以更直接有效地測量到發(fā)熱點的溫度變化。然后通過PLC軟件將每個溫度產(chǎn)生的熱變形補償?shù)絑軸(滑枕的運動方向)，通過Z軸的運動將伸長的部分調(diào)整到正常的位置，這樣就可以保證機床的切削精度。

將溫度傳感器安裝在主軸的集中發(fā)熱點，安裝位置如圖1所示。

表1 數(shù)據(jù)表

通過對很多廠家的了解，配FANUC系統(tǒng)的加工中心溫度補償系統(tǒng)都有不同的做法，有些日本廠家是通過自己開發(fā)的硬件結(jié)合軟件來實現(xiàn)此項功能(如okk);有些廠家直接通過距離傳感器的NC宏程序來改變(如日立精機)。很多廠家都是自己開發(fā)的這套溫度補償系統(tǒng)。因此筆者決定通過自己的努力來解決這個問題。

表2 2010年2月12日現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

表3 2010年2月14日現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

筆者經(jīng)過對FANUC系統(tǒng)資料的詳細了解，認為可以通過FANUC系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)輸入輸出功能來實現(xiàn)此項補償功能。此功能需要自己來編寫一套程序，通過程序的賦值來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入，將所需的數(shù)據(jù)通過此功能直接寫入系統(tǒng)，由系統(tǒng)控制Z軸的坐標變化來實現(xiàn)補償。

通過自己編制一套軟件和一個參數(shù)表格，使用戶可以方便地通過觀察及修改參數(shù)表格里面的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)主軸熱伸長的補償功能。這需要硬件和軟件(編制相應(yīng)的PLC程序建立相應(yīng)參數(shù)表格)相結(jié)合來實現(xiàn)。

首先要選擇正確的硬件系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)包含了FANUC的I/O的基本單元、模擬輸入模塊組及I/O通訊電纜(其價格大約為1.2萬元)。

表4 2010年2月18日現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

軟件方面:通過對機床運轉(zhuǎn)和主軸熱伸長的實際情況分析，確定了對主軸熱伸長補償不使用線性補償?shù)姆绞健＿@種方式雖然需要測量的數(shù)據(jù)較少，但如果溫度變化比較頻繁的時候，反而會使加工出現(xiàn)問題，比如刀具破損、工件表面切深不一致、表面粗糙度不好、切削位置有偏差等。因此，考慮到這些問題，為了保證切削的連續(xù)性及精確度，最后選用的是點位補償形式，它的優(yōu)點是由于主軸連續(xù)工作的特性會很快地使主軸溫升穩(wěn)定在一個固定的溫度范圍，這樣的話就會使在一個穩(wěn)定的溫度范圍之內(nèi)有一個穩(wěn)定的補償。因此將穩(wěn)定的基礎(chǔ)溫度范圍定為1 K(溫度在1℃之內(nèi)的變化)，在此區(qū)間補償一次，這樣就保證了主軸在1 K范圍內(nèi)的穩(wěn)定，確保了切削的連續(xù)性(可以通過調(diào)整測量的溫度來改變溫升范圍，具體做法見后)，同時也保證了切削精度(每1℃變化量最大為0.01 mm)。把基礎(chǔ)溫度定在28℃(可以根據(jù)實際情況來修改)，最大主軸溫升是根據(jù)主軸溫升的穩(wěn)定溫度值來決定的。即:通過主軸的溫升實驗來確定主軸穩(wěn)定在一個穩(wěn)定的溫度值后就不會再有溫升的時候，這個溫度就是最大的溫度值。一般的溫升在15 K以內(nèi)，如果溫升太大的話基本上就是主軸裝配有問題了。

在PLC中，建立PLC參數(shù)，通過PLC的計算及賦值，實現(xiàn)主軸熱伸長的補償功能。

首先是將溫度傳感器里面的溫度讀到PLC參數(shù)D650～D678中，以D650～D678中的溫度為基準，改變D650～D678中的值就可以改變補償?shù)臏囟葴厣怠＠?D650=28，D652=30，那么溫度的每個溫度點補償范圍就是2 K，最大溫度值就是56。D700～D728就是對應(yīng)于D650～D678的補償值。建立數(shù)據(jù)表如下:

經(jīng)過大量的實驗，結(jié)果是可以將主軸熱伸長的精度保證在0.01 mm之內(nèi)。部分的實驗數(shù)據(jù)如表2～4。

通過表格中的數(shù)據(jù)可以看到，主軸熱伸長的補償作用還是非常明顯的。如今在用戶沈陽金杯模具已經(jīng)采用了此項功能，效果非常好。